Kapitel II · Mathematik

Quadratische Funktionen und Gleichungen

Von der Parabel bis zur pq-Formel – Kurven, die Würfe, Flächen und Optimierung beschreiben.

📖 Buchseiten 32 – 73

Sobald in einer Funktion ein x² auftaucht, ist der Graph keine Gerade mehr, sondern eine Parabel. In diesem Kapitel lernst du, Parabeln zu verschieben und zu beschreiben, quadratische Gleichungen mit der pq-Formel zu lösen und damit echte Probleme zu knacken – etwa „Wie groß kann eine eingezäunte Fläche höchstens werden?" oder „Wann landet ein geworfener Stein im Wasser?".

Die Themen – erklärt mit Buch-Beispielen

1

Rein quadratische Funktionen

Eine Funktion f(x) = a·x² heißt rein quadratische Funktion. Ihr Graph ist eine Parabel. Der Faktor a bestimmt, ob sie nach oben (a>0) oder unten (a<0) geöffnet ist und wie schmal/breit sie verläuft.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 36)

Ein Stein fällt in einen Brunnen. Die Fallstrecke folgt h(t) = 5·t²: nach 1 s sind es 5 m, nach 2 s schon 20 m. Die Werte liegen nicht auf einer Geraden – verbindet man sie, entsteht eine Parabel.

2

Verschobene Parabeln

Die Normalparabel y = x² lässt sich verschieben: y = x² + e verschiebt um e nach oben (Scheitel S(0|e)), y = (x − d)² verschiebt um d nach rechts (Scheitel S(d|0)).

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 40)

y = x² + 1 ist die Normalparabel um 1 nach oben (Scheitel (0|1)), y = (x − 1)² um 1 nach rechts (Scheitel (1|0)).

3

Scheitelform und allgemeine Form

Scheitelform f(x) = a(x − d)² + e – hier liest man den Scheitel S(d|e) direkt ab. Allgemeine Form f(x) = ax² + bx + c – hier liest man den y-Achsenschnittpunkt (0|c) ab. Umrechnen: Ausmultiplizieren (Scheitelform → allgemeine Form) bzw. quadratische Ergänzung (allgemeine Form → Scheitelform).

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 45)

f(x) = 2(x − 1)² + 3 ausmultipliziert ergibt f(x) = 2x² − 4x + 5 – dieselbe Parabel, nur in anderer Schreibweise.

4

Quadratische Gleichungen & Nullstellen

Eine quadratische Gleichung bringt man auf die Normalform x² + px + q = 0. Ihre Lösungen sind die Nullstellen der Parabel f(x) = x² + px + q. Eine quadratische Gleichung hat zwei, eine oder keine Lösung – je nachdem, ob die Parabel die x-Achse zweimal, einmal oder gar nicht trifft.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 50)

x² − 2x = 3 → Normalform x² − 2x − 3 = 0. Die Parabel hat den Scheitel S(1|−4) und schneidet die x-Achse bei x = −1 und x = 3.

5

pq-Formel

Die Lösungen von x² + px + q = 0 berechnet man mit der pq-Formel: x₁,₂ = −p/2 ± √((p/2)² − q). Der Term unter der Wurzel ist die Diskriminante D: ist D>0 → zwei Lösungen, D=0 → eine Lösung, D<0 → keine Lösung.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 53)

x² + 5x + 6 = 0 → p=5, q=6 → x₁,₂ = −2,5 ± √(6,25 − 6) = −2,5 ± 0,5 → x₁ = −2, x₂ = −3.

6

Linearfaktorzerlegung & Satz von Vieta

Kennt man die Nullstellen x₁ und x₂, lässt sich der Term zerlegen: x² + px + q = (x − x₁)(x − x₂). Es gilt der Satz von Vieta: x₁ + x₂ = −p und x₁ · x₂ = q.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 58)

x² + 4x − 12: gesucht sind zwei Zahlen mit Produkt −12 und Summe −4 → das sind 2 und −6. Also x² + 4x − 12 = (x − 2)(x + 6), Nullstellen 2 und −6.

7

Problemlösen mit quadratischen Funktionen

Viele Probleme – besonders Optimierungsaufgaben („möglichst groß/klein") – löst man, indem man die gesuchte Größe als quadratische Funktion aufstellt und den Scheitel bestimmt. Vorgehen wie in Kapitel I: Verstehen → Zerlegen → Durchführen → Rückschau.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 60)

Mit 12 m Zaun soll an einer Hauswand ein Rechteck mit größter Fläche entstehen. Mit Seite x gilt A(x) = x·(12 − 2x) = −2x² + 12x. Scheitel bei S(3|18) → die Fläche wird bei x = 3 m am größten: 18 m².

8

Modellieren mit Funktionen

Reale Vorgänge beschreibt man vereinfacht durch ein mathematisches Modell. Eine Wurf- oder Flugbahn ist näherungsweise eine Parabel (Modellannahme: Luftwiderstand vernachlässigt). Man wählt einen Funktionstyp, rechnet damit und prüft das Ergebnis.

📘 Beispiel aus dem Buch (S. 64)

Die Flugbahn eines Tennisballs aus einer Wurfmaschine wird als Parabel modelliert, um zu prüfen, ob die Bälle noch im Spielfeld landen.

Merke: Die Scheitelform verrät den höchsten/tiefsten Punkt sofort – perfekt für Optimierung. Die pq-Formel findet die Nullstellen. Und Vieta hilft beim schnellen Zerlegen.

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Übungen – Training (S. 73)

Alle Aufgaben aus dem Buch zum Selberrechnen. Erst auf Papier lösen, dann „Lösung anzeigen". Die Wortaufgaben sind sinngemäß wiedergegeben.

✅ Geprüft: Alle Lösungen (Runde 1 und 2) wurden mit den Buchlösungen auf S. 215–217 abgeglichen und stimmen überein; die Rechenaufgaben zusätzlich per Computer-Algebra kontrolliert.
🟧 Training – Runde 1
1
S ist der Scheitel einer verschobenen Normalparabel (a = 1). Bestimme die Funktionsgleichung in Scheitelform.
a) S(0 | 5,7) b) S(2,5 | −5) c) S(1,25 | 1,1) d) S(−2,5 | −0,4)
Scheitelform y = (x − d)² + e mit S(d|e):
a) y = x² + 5,7   b) y = (x − 2,5)² − 5
c) y = (x − 1,25)² + 1,1   d) y = (x + 2,5)² − 0,4
Stimmt mit der Buchlösung auf S. 215 überein.
2
Zeichne den Graphen. Tipp: bestimme zuerst Scheitel und Öffnung.
a) f(x) = ½(x + 2)² b) f(x) = −(x − 2)² + 3 c) f(x) = 2x² − 2,5 d) f(x) = x(x − 2)
a) Scheitel (−2 | 0), nach oben geöffnet, etwas breiter (a = ½).
b) Scheitel (2 | 3), nach unten geöffnet.
c) Scheitel (0 | −2,5), nach oben, schmaler (a = 2).
d) = x² − 2x, Scheitel (1 | −1), Nullstellen bei 0 und 2.
3
Der Punkt P(3 | −6) liegt auf einer Parabel mit Scheitel S(1 | 2). a) Bestimme die Gleichung. b) Berechne die Nullstellen.
a) Ansatz Scheitelform: f(x) = a(x − 1)² + 2. P einsetzen: −6 = a·(3 − 1)² + 2 → −6 = 4a + 2 → a = −2. Also f(x) = −2(x − 1)² + 2 (= −2x² + 4x).
b) −2(x − 1)² + 2 = 0 → (x − 1)² = 1 → x = 0 oder x = 2. Nullstellen: 0 und 2.
4
Rico wirft vom Ufer einen Stein ins Wasser. Seine Höhe über dem Wasser ist h(t) = −0,4t² + 2t + 1,5 (h in Metern, t in Sekunden). a) Aus welcher Höhe wirft er? b) Wann ist der Stein am höchsten und wie hoch? c) Wann fällt er etwa ins Wasser?
a) Abwurfhöhe = h(0) = 1,5 m.
b) Scheitel bei t = −b/(2a) = −2/(2·(−0,4)) = 2,5 s; h(2,5) = 4 m.
c) h(t) = 0 → −0,4t² + 2t + 1,5 = 0 → t ≈ 5,7 s (die negative Lösung entfällt).
🟥 Training – Runde 2
1
Bestimme den Scheitel der Parabel.
a) y = x² − 4x + 7 b) y = 2x − x²
a) quadratische Ergänzung: x² − 4x + 7 = (x − 2)² + 3 → S(2 | 3).
b) −x² + 2x = −(x − 1)² + 1 → S(1 | 1).
2
Gib zu den vier Parabeln in der Abbildung (Fig. 1) jeweils die Gleichung an.
Vorgehen: Scheitel S(d|e) ablesen, Öffnung/Streckung bestimmen, in Scheitelform y = a(x − d)² + e schreiben. Ergebnis:
a) y = (x + 1)² − 4   b) y = (x − 3)² − 1
c) y = 2(x − 2)² − 3   d) y = −½x² + 2
Stimmt mit der Buchlösung auf S. 216 überein.
3
Bestimme, falls vorhanden, die Lösungen (zeichnerisch und rechnerisch).
a) x² + 4 = 0 b) x² + 5x + 4 = 0 c) x² − 6x + 9 = 0 d) 11x − x² + 3 = 5x − 4x² e) (x − 5)² = 1
a) x² = −4 → keine (reelle) Lösung (Parabel über der x-Achse).
b) pq: x = −2,5 ± √(6,25 − 4) = −2,5 ± 1,5 → x = −1 und x = −4.
c) (x − 3)² = 0 → x = 3 (eine Lösung).
d) alles auf eine Seite: 3x² + 6x + 3 = 0 → x² + 2x + 1 = 0 → (x + 1)² = 0 → x = −1 (eine Lösung).
e) x − 5 = ±1 → x = 6 und x = 4.
4
Susi möchte für ihre vier Kaninchen in der Ecke zwischen Haus und Garage eine Fläche einzäunen. Dafür hat sie ein 2 m breites Holztor und etwa 9 m Maschendrahtzaun. Pro Kaninchen sollen mindestens 5 m² Grünfläche da sein. a) Wie kann sie das Gehege anlegen, sodass alle Bedingungen erfüllt sind? b) Ist das die größtmögliche Fläche? Begründe.
Mit Länge ℓ gilt für das Material: 9 = ℓ + (ℓ − 4) + (b − 2), also b = 15 − 2ℓ. Fläche: A = ℓ·b = ℓ(15 − 2ℓ) = −2ℓ² + 15ℓ.
a) Soll A = 20 m² sein: −2ℓ² + 15ℓ − 20 = 0 → ℓ ≈ 5,77 oder ℓ ≈ 1,73. ℓ ≈ 1,73 m scheidet aus (an der Garage werden mind. 4 m gebraucht). Also: Länge ≈ 5,77 m, Breite ≈ 3,47 m.
b) Nein – das ist nicht das Maximum. Der Scheitel von A liegt bei ℓ = 3,75 m, die größtmögliche Fläche ist 28,125 m². Susi könnte also mehr einzäunen.
Stimmt mit der Buchlösung auf S. 217 überein.
Rückblick (S. 72): Die Seite fasst alles zusammen – rein quadratische und allgemeine Funktionen, Scheitel- und allgemeine Form, quadratische Ergänzung, pq-Formel, Diskriminante, Vieta und Linearfaktoren. Genau diese Werkzeuge brauchst du in den Aufgaben oben.